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含先進絕熱壓縮空氣儲能電站的電力系統實時調度模型

2019-03-22    來源:中國節能網
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[ 導讀 ]:華中科技大學電氣與電子工程學院強電磁工程與新技術國家重點實驗室、電力安全與高效湖北省重點實驗室、華威大學工程學院的研究人員李姚旺、苗世洪等,在2019年第2期《電工技術學報》上撰文指出
 華中科技大學電氣與電子工程學院強電磁工程與新技術國家重點實驗室、電力安全與高效湖北省重點實驗室、華威大學工程學院的研究人員李姚旺、苗世洪等,在2019年第2期《電工技術學報》上撰文指出,先進絕熱壓縮空氣儲能(AA-CAES)具有規模大、成本低、無需燃料、效率高等優點,是壓縮空氣儲能(CAES)技術領域的主流發展趨勢之一。
 
本文將AA-CAES電站作為重要的調度資源,與常規機組、風電共同參與電力系統實時調度。首先,基于AA-CAES電站的熱力學特性,建立能夠反映AA-CAES電站變工況條件下運行特性的儲能電站運行約束模型。然后,考慮AA- CAES電站在自動發電控制(AGC)階段的功率調節不確定性,建立AA-CAES電站AGC約束模型。
 
在此基礎上,提出含AA-CAES電站的電力系統實時調度模型,該模型考慮了系統AGC容量需求約束、AGC調節速率需求約束和AGC調節任務量需求約束。最后,基于修改版IEEE 30節點系統進行算例仿真,仿真結果證明了調度模型的有效性。
 
大規模儲能技術是保障清潔能源大規模發展和電網安全經濟運行的關鍵。在諸多儲能技術中,壓縮空氣儲能(Compressed Air Energy Storage, CAES)因其具有容量大、壽命長、低成本等優點,而被公認為是目前最具發展潛力的大規模儲能技術之一。但傳統CAES存在依賴化石燃料、循環效率較低等技術瓶頸,限制了其規模化應用。
 
為了解決上述瓶頸,學者們提出了先進絕熱壓縮空氣儲能(Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage, AA-CAES)的概念。AA-CAES摒棄了傳統CAES的補燃環節,利用熱能存儲技術重用壓縮熱,提升了系統循環效率,被認為是CAES技術領域的主流發展趨勢之一。
 
目前,德、美、中等國紛紛開展了一系列關于AA-CAES技術的研究,并已建設了多座AA-CAES示范工程。德國萊茵集團等正在籌建全球第一座大規模AA-CAES電站,該電站設計功率為90MW、設計容量為360MW•h,目標循環效率約為70%;美國LightSail Energy公司已開發了一套基于可逆型活塞式機械的AA-CAES示范系統。
 
在國內,清華大學、中科院理化所和中國電科院研制的500kW AA-CAES實驗系統已于2014年在安徽蕪湖建成;中科院工程熱物理研究所已在河北廊坊建成了一座1.5MW AA-CAES實驗系統,并正在貴州畢節建設一座10MW/40MW•h的AA-CAES示范系統;2016年,科技部設立10MW級AA-CAES國家重點研發計劃,計劃建設一座10MW/100MW•h的AA-CAES示范系統,系統“電到電”效率不低于60%,并實現40%~110%寬工況穩定運行;2017年,國家能源局批準立項了一座50MW的國家級AA-CAES示范電站,下一步建設目標為100MW級AA-CAES示范系統。
 
國內外學者已針對CAES電站參與電力系統優化運行開展了相關研究。文獻[8,9]在機組組合模型中考慮了風電和傳統CAES電站,并分析了CAES電站在風電消納、節能減排、輸電阻塞等方面的作用。文獻[10]在文獻[9]的基礎上增加了需求響應資源,提出了含CAES電站的“源荷儲”協同調度策略。
 
文獻[11]考慮了傳統CAES中壓縮機、渦輪機和儲氣室在部分負荷時的運行特性,建立了基于實驗數據的傳統CAES等效電池調度模型,并提出了傳統CAES電站在日前能量市場和備用市場的自調度策略。文獻[12]量化分析了傳統CAES電站和AA-CAES電站在負荷轉移和備用服務方面的效益。
 
文獻[13]提出了一種面向傳統CAES電站和風電場聯合系統的日前自調度策略。文獻[14]建立了一種小型AA-CAES系統調度模型,并提出了其在微型能源互聯網中的優化調度策略。
 
上述文獻提出了CAES系統在日前時間尺度下的能量、備用優化調度方法,但未見關于AA-CAES電站實時調度建模及實時調度策略的相關研究。實時調度是銜接電力系統日前調度與自動發電控制(Automatic Generation Control, AGC)過程的重要環節,用于跟蹤系統功率變化,并配合AGC功率分配因子的設置。
 
AA-CAES電站具有大功率、大容量、寬工況、快速啟停、高爬/滑坡速度等優點,其能夠以相對較低的成本進行快速、持續、大范圍的功率調節。因此,在實時調度中,應充分考慮AA-CAES電站的運行特性,并充分發揮其優越的動態性能。
 
AA-CAES電站是一個實現電能與機械能、熱能轉換的復雜系統,其充/放電功率、剩余電量等重要狀態量均與系統關鍵部件的溫度、氣壓、效率等參數密切相關,且在實際運行過程中,上述參數均為偏離額定值的變量。
 
此外,當AA-CAES電站參與AGC調頻后,其將自動響應AGC指令并調節充/放電功率,若在實時調度中不考慮AGC階段的調節功率不確定性,則可能造成AA-CAES電站因剩余電量接近限值而無法執行調控指令的事故。
 
因此,在AA-CAES電站實時調度建模中,需要重點關注以下問題:①建立能夠反映AA-CAES電站變工況條件下系統參數變化特性的實時調度運行約束模型;②建立計及AGC階段的調節功率不確定性的AA-CAES電站AGC容量約束模型。
 
本文基于AA-CAES電站熱力學模型并計及AGC階段的調節功率不確定性,建立了能夠反映AA- CAES電站變工況條件下系統參數變化特性的實時調度模型。在此基礎上,提出了含AA-CAES電站、常規機組和風電機組的電力系統實時優化調度策略。最后,通過仿真算例證明了調度模型的有效性。
 
 
圖1 AA-CAES電站示意圖
結論
 
本文建立了能夠反映AA-CAES電站變工況條件下運行特性的運行約束模型,以及考慮調節功率不確定性的AGC約束模型,并在此基礎上提出了一種含AA-CAES電站的電力系統實時調度模型,得到以下結論:
 
1)AA-CAES電站具有大功率、大容量、動態特性優越、調節成本低等優點,其在實時功率平衡和承擔AGC調頻需求等方面具有優勢。AA-CAES電站參與實時調度后,能夠有效提升系統風電消納率,降低系統運行成本。
 
2)提升AA-CAES電站壓縮機、膨脹機的等熵效率以及提高AA-CAES電站運行范圍,均有助于提高系統運行經濟性。此外,隨著AA-CAES電站運行范圍的縮減,AA-CAES電站提供AGC容量的能力有所下降,系統總AGC成本明顯增高。
 
關鍵詞: 儲能
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